At få Mars Science Laboratory til den røde planet er ikke så let som bare at spænde roveren på en Atlas V-raket og sprænge den i den generelle retning af Mars. Rumfartøjsnavigation er en meget præcis og konstant videnskab, og i enkleste vendinger indebærer det at bestemme, hvor rumfartøjet til enhver tid er og holde det på kurs til den ønskede destination.
Og, siger leder af MSL-navigationsholdet Tomas Martin-Mur, den eneste måde til nøjagtigt at få Curiosity-roveren til Mars er at rumfartøjet konstant kigger i bakspejlet på Jorden.
”Hvad vi gør, er at” køre ”rumfartøjet ved hjælp af data fra Deep Space Network,” fortalte Martin – Mur til Space Magazine. ”Hvis du tænker over det, ser vi aldrig Mars. Vi har ikke et optisk navigationskamera eller andre instrumenter til at kunne se eller fornemme Mars. Vi er på vej mod Mars, hele tiden når vi ser tilbage til Jorden, og med målinger fra Jorden er vi i stand til at komme til Mars med en meget høj nøjagtighed. ”
Denne høje nøjagtighed er meget vigtig, fordi MSL bruger et nyt indgangs-, afstamnings- og landingsvejledningssystem, som gør det muligt for rumfartøjet at lande mere præcist end nogen tidligere landere eller rovere.
”Det er meget udfordrende, og selvom det er noget, der ligner det, vi har gjort før med Mars Exploration Rover (MER) -missionen, denne gang vil det blive gjort på et endnu højere niveau af præcision,” sagde Martin-Mur. ”Det giver os mulighed for at komme til et meget spændende sted, Gale Crater.”
På Jorden kan vi konstant finde nøjagtigt, hvor vi er med GPS - som er på vores mobiltelefoner og navigationsudstyr. Men der er ingen GPS på Mars, så den eneste måde rover vil være i stand til at gå mod - og igennem - et præcist punkt i den røde planets atmosfære er for navigationsholdet at vide nøjagtigt, hvor rumfartøjet er, og for dem at fortsætte med at fortælle rumfartøjet præcis, hvor det er. De bruger Deep Space Network (DSN) til disse beslutninger fra lanceringen, helt til Mars.
Deep Space Network består af et netværk af ekstremt følsomme deep space kommunikationsantenner på tre steder: Goldstone, Californien; Madrid, Spanien; og Canberra, Australien. Den strategiske placering med cirka 120 grader fra hinanden på Jordens overflade tillader konstant observation af rumfartøjer, når Jorden roterer.
Men selvfølgelig er det ikke så let som bare at få raket fra punkt A til punkt B, da Jorden og Mars ikke er faste positioner i rummet. Navigatorer skal imødegå udfordringerne med at beregne de nøjagtige hastigheder og orienteringer af en roterende jord, en roterende Mars samt et bevægende, roterende rumfartøj, mens alle samtidig rejser i deres egne baner rundt om solen.
Der er andre faktorer som solstrålingstryk og thrusterfyringer, som alle skal beregnes nøjagtigt.
Martin-Mur sagde, selvom MSL er en meget større rover med et større rumfartøj og backshell end MER-missionen, er navigationsværktøjer og beregninger ikke meget forskellige. Og på nogle måder er det lettere at navigere i MSL.
”Atlas V-køretøjet giver en meget mere præcis lancering og kan sætte os på en mere præcis sti end MER, der brugte et Delta II,” sagde Martin-Mur. ”Dette giver os mulighed for at bruge mindre drivmiddel, forholdsmæssigt pr. Pund, for at komme til Mars end MER-roverne gjorde.”
MER-roverne og rumfartøjet vejer ca. 1 ton, mens MSL vejer næsten 4 ton. MSL tildeles 70 kg drivmiddel til krydstogtsfasen, mens MER-roverne hver bruger omkring 42 kg drivmiddel.
Interessant nok, for at MSL-rumfartøjet stiger ned gennem Mars 'atmosfære og lander, bruger rumfartøjet ca. 400 kg drivmiddel.
Derudover sagde Martin-Mur, at mere præcise planetariske efemerier og Very Long Baseline Interferometry-målinger er tilgængelige, hvilket gør det muligt for navigationen at kunne levere rumfartøjet til det rigtige sted i den atmosfæriske indgangsgrænseflade, så køretøjet befinder sig inden for de parametre, der det er designet til at fungere.
Navigation ved start
Det hele starter med mange års forberedelser og beregninger fra navigeringsteamet, som skal beregne alle mulige baner til Mars afhængigt af nøjagtigt, hvornår Atlas V-raketten starter med MSL ombord.
I nogle tilfælde er der bogstaveligt talt tusinder af lanceringsmuligheder, og alle mulige baner skal beregnes nøjagtigt. Juno-missionen havde for eksempel to timers daglige lanceringsvinduer med 3.300 mulige lanceringsmuligheder. For MSL indeholder de daglige lanceringsvinduer løftemuligheder i trin på 5 minutter. I løbet af den 24 dages lanceringsperiode har teamet beregnet 489 forskellige baner for alle mulige lanceringsmuligheder.
Men i sidste ende vil de ende med at bruge en.
”Dette er ikke noget, man gør på farten - man forbereder alt dette i god tid, så man har tid til at læne sig tilbage og vurdere det og tjekke det,” sagde et andet medlem af MSL-navigationsholdet, Neil Mottinger, der har arbejdet på Jet Propulsion Laboratory siden 1967. Han har arbejdet med navigation i mange missioner som Mariner, Voyager, MER og adskillige internationale missioner.
"Den oprindelige funktion af navigationen ved lanceringen er at bestemme den faktiske rumfartøjsbane godt nok, så rumfartøjssignalet vil være godt inden for strålebredden af DSN-antennerne," fortalte Mottinger til Space Magazine.
Mars Science Laboratory vil adskille sig fra raketten, der løftede den mod Mars cirka 44 minutter efter lanceringen, hvor navigatøren sporer rumfartøjets hver bevægelse.
Mottinger tilføjede, at uden DSNs kommunikationsfunktioner, er der ingen planetariske missioner. ”Navigationsteamet gør hvad det kan for at sikre sig, at der ikke er nogen huller i kommunikationen,” sagde han. ”Det er crunch-tid i løbet af de første 6-8 timer efter lanceringen for at kunne bestemme den nøjagtige placering af rumfartøjet.”
Fra de nylige problemer med Phobos-Grunt-missionen er det tydeligt, hvor vanskeligt det er at spore og kommunikere med et netop lanceret rumfartøj.
Midtvejs rettelser
Igen har navigationsholdet modelleret og beregnet alle manøvrer og thrusterforbrændinger til missionen. Når MSL er på vej til Mars, vil navigationsholdet gennemgå alle deres modeller og designe manøvrerne til at føre rumfartøjet til det rigtige indgangs interface på Mars.
”Vi fortsætter med at bestemme kredsløb og omdesigne manøvrerne til rumfartøjet,” sagde Martin-Mur. "MSL har 1 kg thrustere - i samme størrelse som MER-rumfartøjet - men vores rumfartøj er næsten fire gange tungere, så de manøvrer, vi gør, tager lang tid - nogle vil tage timer."
Til interplanetær navigation bruger ingeniørerne fjerne kvasarer som vartegn i rummet til reference til, hvor rumfartøjet er. Kvasarer er utroligt lyse, men er i så kolossale afstande, at de ikke bevæger sig i himlen, som tættere baggrundsstjerner gør. Martin-Mur leverede en liste med næsten 100 forskellige kvasarer, der kunne bruges til dette formål, afhængigt af hvor rumfartøjet er.
”Det er interessant,” spurgte Martin-Mur, ”med kvasarer bruger vi noget, der er milliarder af lysår væk fra os, fra det meget tidlige univers, som er så gamle, at de måske ikke engang er der mere. Det er virkelig sejt, at vi bruger et objekt, der i øjeblikket muligvis ikke findes mere, men bruger dem til meget præcis navigation. ”
Navigationsteamet er også nødt til at modellere solstrålingstrykket - effekten Sun's stråling har på rumfartøjet.
”Vi ved meget godt, takket være vores venner fra gruppen Solar Systems Dynamics, hvor Mars skal hen, og hvor Jorden og Solen er,” sagde Martin-Mur. ”Men da dette rumfartøj ikke tidligere har været i rummet, er det, der ikke vides nøjagtigt, hvordan solstrålingstrykket vil påvirke rumfartøjets overfladegenskaber, og hvordan det vil forstyrre rumfartøjet. Hvis vi ikke har en god model til det, kunne vi være hundreder af kilometer væk, når rumfartøjet går fra Jorden til Mars. ”
Ankommer til Mars
Når rumfartøjet nærmer sig Mars, er det meget vigtigt at vide nøjagtigt, hvor rumfartøjet er. "Vi er nødt til at målrette rumfartøjet mod det rigtige indgangspunkt," sagde Martin-Mur, "og fortæl rumfartøjet, hvor det vil komme ind, så det vil være i stand til at finde vej til landingsstedet."
MSL Entry Descent and Landing Instrumentation, eller MEDLI, vil streame information tilbage til Jorden, når sonden kommer ind i atmosfæren, og lader navigatorerne - og videnskabsteamet - vide nøjagtigt, hvor roveren er landet.
Først da er navigationsholdet måske i stand til at indånde et lettelsens sukk.